電力電子概述

教案編寫：肖強(qiáng)暉廖無限

授課教師：

肖強(qiáng)暉電氣工程系電氣工程教研室

現(xiàn)代電力電子技術(shù)ModernPowerElectronics第一章緒論重點(diǎn)和難點(diǎn)

電力電子技術(shù)定義、它與其它學(xué)科的關(guān)系。電力電子變換的基本類型緒論1、課程性質(zhì)

2、主要參考文獻(xiàn)

3、預(yù)備知識4、課程的基本要求5、課程的計(jì)分方案6、作業(yè)1、課程性質(zhì)

電氣工程與自動化本科專業(yè)的必修課,同時也是電力電子專業(yè)研究生的專業(yè)課先修課程：《電機(jī)學(xué)》或《電機(jī)拖動》、《自動控制理論》、《電力系統(tǒng)分析》等后續(xù)課程：《現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)》、《交流電機(jī)及其系統(tǒng)分析》、《電力電子專題講座》等2、主要參考文獻(xiàn)

陳堅(jiān).電力電子學(xué).北京：高等教育出版社，2003趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2000李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動與控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998《電力電子技術(shù)》，學(xué)術(shù)期刊《電工技術(shù)學(xué)報》，學(xué)術(shù)期刊《中國電機(jī)工程學(xué)報》，學(xué)術(shù)期刊3、預(yù)備知識

§3.1電力電子技術(shù)的定義§3.2電力電子技術(shù)和其它學(xué)科的關(guān)系§3.3電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系§3.4電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系§3.5電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系§3.6電力電子技術(shù)的發(fā)展地位和未來§3.7電力電子變換的類型§3.8電力電子技術(shù)的發(fā)展史§3.9電力電子技術(shù)的應(yīng)用§3.1021世紀(jì)電力電子技術(shù)的前景

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3.1電力電子技術(shù)的定義電子技術(shù)包括：信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)。信息電子技術(shù)——模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至1W以下。定義：

電力電子技術(shù)（powerelectronics）是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，指使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。另解電力電子技術(shù)，就是使用電力半導(dǎo)體器件及電子技術(shù)對電氣設(shè)備的電功率進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。它以實(shí)現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標(biāo)，是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科。電力電子技術(shù)主要用于電力變換，而信息電子技術(shù)主要用于信息處理。§3.2電力電子技術(shù)和其它學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(shù)（PowerElectronics）實(shí)際上是一門交叉學(xué)科，該名稱于60年代出現(xiàn)。1974年，美國的W.Newell用圖1的倒三角形對電力電子技術(shù)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受?！?.3電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系都分為器件和應(yīng)用兩大分支；器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)；應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同；信息電子電路的器件可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開關(guān)狀態(tài)（為避免功率損耗過大）。二者同根同源。電子學(xué)中的電子器件對應(yīng)于電力電子器件電子學(xué)中的電子電路對應(yīng)于電力電子電路

§3.4電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系與電氣工程（電力學(xué)）的關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中（高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動、電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源等）。國內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個分支，屬于電氣工程一級學(xué)科下屬的電力電子與電力傳動二級學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個分支，其不斷的技術(shù)進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動力?！?.5電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中；電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶；電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)?！?.6電力電子技術(shù)的發(fā)展地位和未來電力電子技術(shù)和運(yùn)動控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱計(jì)算機(jī)→人腦電力電子技術(shù)→消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子+運(yùn)動控制→肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù)，是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此電力電子技術(shù)將青春永駐。一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。

§3.7電力電子變換的類型進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。通常電力變換裝置有四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流等，或是它們的變換組合，例如：交直交變換裝置等。其關(guān)系參見圖2所示。圖2常見的電力電子變換種類

§3.8電力電子技術(shù)的發(fā)展史（1）

電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的，其過程參見圖3。

圖3電力電子器件的發(fā)展史§3.8電力電子技術(shù)的發(fā)展史（2）1.半導(dǎo)體整流管的發(fā)展2.晶閘管及其派生器件的發(fā)展3.雙極型晶體管（亦稱功率晶體管，GrandTransistor—GTR）4.功率場效應(yīng)管（MOSFET）的發(fā)展5.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的發(fā)展6.功率集成電路的發(fā)展

7.智能化電力電子功率模塊IPM和PEBB1.半導(dǎo)體整流管的發(fā)展20世紀(jì)50年代初期，普通的半導(dǎo)體整流管（SR—SemiconductorRectifier）因其正向通態(tài)壓降（1V左右）遠(yuǎn)比汞弧整流器（10～20V）小而開始取代汞弧整流器，由此大大提高了整流電路的效率。普通整流管通常應(yīng)用于400Hz以下的不可控整流電路。隨著在工藝上以縮短整流管的正反向恢復(fù)時間來降低整流管的開關(guān)損耗為目的的研究取得成功，人們開發(fā)出快恢復(fù)整流管和肖特基整流管應(yīng)用于中頻（10kHz以下）和高頻（10kHz以上）整流的場合。20世紀(jì)80年代中后期，為了進(jìn)一步減少低壓高頻開關(guān)電源中電力電子器件的損耗，同步整流管也應(yīng)運(yùn)而生。

2.晶閘管及其派生器件的發(fā)展1957年美國通用電氣公司（GE）發(fā)明了普通（400Hz以下）的反向阻斷型可控硅（SilliconControlledRectifier——SCR），以后稱晶閘管（Thyristor）。經(jīng)過60年代的工藝完善和應(yīng)用開發(fā)，到了70年代，晶閘管已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。在這一期間及其以后的近30年時間里，世界各國相繼開發(fā)出一系列晶閘管的派生器件，如圖4所示。由晶閘管及其派生器件構(gòu)成的各種電力電子系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重的問題，因而大大地提高了電能的利用率，同時也使工業(yè)噪聲得到了一定程度的控制。但是因?yàn)榫чl管類器件中多數(shù)是換流器件，其工作頻率又比較低，致使PWM脈沖寬度調(diào)制（Pulse-widthModulation）技術(shù)難以很好地實(shí)施。因此，通常由其構(gòu)成的裝置應(yīng)用電路復(fù)雜，而且存在嚴(yán)重的“電力公害”問題。不對稱晶閘管（ASCR）逆導(dǎo)晶閘管（RCT）雙向晶閘管（TRIAC）光控晶閘管（LASCR）快速晶閘管高頻晶閘管可關(guān)斷晶閘管（GTO）集成門極控制晶閘管（IGCT）MOS柵控晶閘管（MCT）晶閘管的派生器件圖4晶閘管的派生器件3.雙極型晶體管（亦稱功率晶體管，Grand

Transistor—GTR)1948年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，經(jīng)過20多年的努力，用于電力變換的晶體管才進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。到20世紀(jì)80、90年代，晶體管已被廣泛應(yīng)用于100kW等級功率的電路中。功率晶體管的工作頻率比晶閘管高，可達(dá)到10～20kHz。這樣，PWM技術(shù)在晶體管變換電路中得到了廣泛的應(yīng)用，促成了“20kHz革命”，使得直流線性電源迅速被20kHz開關(guān)電源所取代。在20世紀(jì)80年代和90年代初，晶體管曾被廣泛地應(yīng)用于中小功率電機(jī)變頻調(diào)速（目前已被MOSFET或IGBT所取代）、不間斷電源（UPS）（已被IGBT管所替代）等等工業(yè)領(lǐng)域。但是，因?yàn)楣β示w管存在著二次擊穿、不易并聯(lián)以及開關(guān)頻率偏低等問題，它的應(yīng)用范圍受到了限制。不過，功率晶體管的抗干擾性能卻明顯高于目前廣泛應(yīng)用的MOSFET管和IGBT管。4功率場效應(yīng)管（MOSFET）的發(fā)展20世紀(jì)70年代后期，功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）開始進(jìn)入實(shí)用階段；進(jìn)入80年代人們又在降低器件的導(dǎo)通電阻、消除寄生效應(yīng)、擴(kuò)大電壓和電流容量以及驅(qū)動電路集成化等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了很大的進(jìn)展。功率場效應(yīng)管中應(yīng)用最廣的是電流垂直流動結(jié)構(gòu)的器件（VDMOS）。它具有工作頻率高、開關(guān)損耗小、安全工作區(qū)寬、輸入阻抗高、易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，是一種場控自關(guān)斷器件。目前廣泛應(yīng)用于DC/DC模塊電源、高頻開關(guān)電源、計(jì)算機(jī)電源、航空電源、小功率UPS以及小功率（單相）變頻器等領(lǐng)域。作為IGBT孿生兄弟的功率場效應(yīng)管，充分發(fā)揮自己的特點(diǎn)向三個方向進(jìn)一步發(fā)展：①更高頻率推向吉赫茲；②低電壓產(chǎn)品的超低導(dǎo)通電阻；③在兆赫茲水平突破并達(dá)到1200V的電壓上限。這樣可滿足不同應(yīng)用市場的需要，取得了令人矚目的新成就。

5絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的發(fā)展20年前電力電子器件較為引人注目的成就之一就是開發(fā)出雙極型復(fù)合器件。目前被認(rèn)為最具有發(fā)展前途的是1983年美國GE公司發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor——IGBT），它已形成了一個新的第二代器件發(fā)展平臺。IGBT實(shí)現(xiàn)了器件高壓、大電流參數(shù)同其動態(tài)參數(shù)之間合理的折中，因而兼有MOS器件和雙極型器件的突出優(yōu)點(diǎn)，目前IGBT容量可達(dá)4500V/1200A，3300V/1500A。近10年來，第四代IGBT（采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)——即NPT-IGBT）得到了迅速的發(fā)展，NPT-IGBT器件具有導(dǎo)通壓降的正溫度系數(shù)，解決了器件并聯(lián)自動均流的難題。“串并聯(lián)”封裝在一個管殼里的結(jié)構(gòu)是IGBT走向高壓、大電流及大功率化的必由之路。10年前人們預(yù)測的IGBT會取代功率晶體管（GTR）現(xiàn)在早已成為事實(shí)；IGBT正成為高電壓、大電流應(yīng)用領(lǐng)域中GTO和IGCT的潛在競爭者，卻是當(dāng)年未曾預(yù)料的。另一方面，美國IR公司開發(fā)了WAPP系列，美國APT公司開發(fā)了GT系列“霹靂（Thunderbolt）型”IGBT。目前已有600V/100A以下的此類IGBT商品，其硬開關(guān)工作頻率已高達(dá)150kHz，而軟開關(guān)工作頻率可達(dá)300kHz，且IGBT的電流密度是相同電壓等級的功率MOSFET管的2.5倍。這種IGBT器件比MOSFET管小，成本低，所以正在成為高頻開關(guān)電源中廣泛使用的MOSFET管強(qiáng)有力的競爭者。另外，逆導(dǎo)型IGBT和雙向型IGBT也正在研制中。

總之，10年前IGBT出現(xiàn)在世界技術(shù)舞臺的時候，盡管它表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力?，F(xiàn)在，IGBT器件顯示了巨大的發(fā)展，形成了一個新的器件應(yīng)用發(fā)展平臺。6功率集成電路的發(fā)展制造具有各種不同功能的功率集成電路的最大優(yōu)勢是減少引線，提高可靠性，其經(jīng)濟(jì)效益也明顯增加。10年來，具有功率控制能力、含有功率器件的智能功率集成電路（SmartPowerIC）和高電壓功率集成電路（HVIC）都已形成各種實(shí)用系列，但是功率都不是很大。它們實(shí)際上是一種微型化的功率變換裝置，應(yīng)用起來可靠而方便。7智能化電力電子功率模塊IPM和PEBB20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM），將具有驅(qū)動、自保護(hù)、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中，并可用于10～100kW功率等級的電力電子系統(tǒng)中。進(jìn)入90年代，大功率IPM已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個研究重點(diǎn)。由于分布式電源系統(tǒng)（DPS）的發(fā)展，美國海軍研究所提出了集成電力電子模塊（PEBB）開發(fā)計(jì)劃來設(shè)計(jì)艦艇的DPS。由于不同的元器件、電路、集成片的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為影響電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題，所以采用IPM可以減少設(shè)計(jì)工作量，使生產(chǎn)自動化，提高系統(tǒng)品質(zhì)、可靠性和可維護(hù)性，設(shè)計(jì)周期短，成本低。目前，三相六管封裝的IPM模塊容量可達(dá)到1200V/600A，單相橋臂兩管封裝的IPM容量可達(dá)到1200V/2400A。§3.9電力電子技術(shù)的應(yīng)用一般工業(yè)：

交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運(yùn)輸：

電氣化鐵路、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償電子裝置電源：

為信息電子裝置提供動力家用電器：

“節(jié)能燈”，變頻空調(diào)等其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置等§3.9電力電子技術(shù)的應(yīng)用(1)軋鋼機(jī)

電解鋁、銅等金屬的裝置

數(shù)控機(jī)床

冶金工業(yè)

一般工業(yè)：§3.10電力電子技術(shù)的應(yīng)用(